Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Никулин Александр Владимирович
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОСАДКИ КЛУБНЕЙ КАРТОФЕЛЯ С ОБОСНОВАНИЕМ ПАРАМЕТРОВ ЦЕПОЧНО-ЛОЖЕЧНОГО ВЫСАЖИВАЮЩЕГО АППАРАТА
Специальность 05.20.01 -
технологии и средства механизации сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Пенза - 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия
(ФГБОУ ВПО Нижегородская ГСХА)
Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Вольников Александр Иванович
Официальные оппоненты: Угланов Михаил Борисович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Рязанский государственный агротехнологический университет им. П.А. Костычева, профессор кафедры Сельскохозяйственные, дорожные и специальные машины
Орлов Анатолий Николаевич доктор сельскохозяйственных наук, профессор, ФГБОУ ВПО Пензенская ГСХА, заведующий кафедрой Общее земледелие и землеустройство
Ведущая организация Государственное научное учреждение Научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого (ГНУ НИИСХ Северо-Востока им. Н.В. Рудницкого)
Защита состоится 31 мая 2012 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 220.053.02 при ФГБОУ ВПО Пензенская ГСХА по адресу: 440014, г. Пенза, ул. Ботаническая, 30, ауд. 1246.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке.
Автореферат разослан 30 апреля 2012 г.
Учёный секретарь
диссертационного совета Кухарев О.Н.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Картофель является пищевой, технической и кормовой культурой. В клубнях содержится около 25% сухого вещества, в том числе 12-22% крахмала, 1,4-3% белка и 0,8-1% зольных веществ. В их состав входят различные витамины Ч С, В (В1, В2, В6), РР, К и каротиноиды. Благодаря своим вкусовым, пищевым и кулинарным качествам картофель стал продуктом почти повседневного употребления в течение года.
Как техническая культура картофель служит сырьем крахмалопаточной, декстриновой промышленности, идет на производство крахмала, глюкозы, спирта и др. Нетоварные клубни широко используют на кормовые цели. Особенно он ценен для свиней и молочного скота. Ввиду важности значения картофеля Генеральная Ассамблея ООН провозгласила 2008 год Международным годом картофеля.
Доля России в мировом производстве картофеля по посевным площадям составляет около 10%. Вместе с тем по показателю средней урожайности (14 т/га) Россия значительно отстает даже от среднего мирового уровня (17 т/га).
Для успешного решения задачи повышения урожайности картофеля необходимо, наряду с другими, решить вопрос равномерности распределения клубней при посадке, которая отклоняется от агротехнических требований вследствие использования некачественного посадочного материала или несовершенства работы картофелесажалок. Улучшение равномерности распределения клубней путем уменьшения количества пропусков и повреждений клубней при увеличении производительности картофелесажалок является одним из важнейших способов повышения урожайности картофеля. В связи с этим исследования работы высаживающих аппаратов и изыскание способов повышения качества выполнения ими технологического процесса имеет актуальное значение для АПК России.
Работа выполнена по плану НИОКР ФГБОУ ВПО Нижегородская ГСХА на 2006-2010гг. (ГР 01.200-005768) Усовершенствование технологии и средств механизации возделывания картофеля в условиях Нижегородской области.
Цель исследований. Повышение качества посадки клубней картофеля с обоснованием параметров цепочно-ложечного высаживающего аппарата.
Объект исследования. Технологический процесс посадки клубней картофеля и конструкция цепочно-ложечного высаживающего аппарата.
Предмет исследований. Показатели качества посадки клубней картофеля, конструктивные и технологические параметры цепочно-ложечного высаживающего аппарата.
Методика исследований. Теоретические исследования выполнялись с использованием основных положений законов и методов классической механики и математики. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и полевых условиях в соответствии с действующими стандартами, а также методиками, разработанными с использованием теории планирования многофакторного эксперимента. Обработка результатов расчётов и экспериментов выполнялась на персональном компьютере с использованием стандартных программ Microsoft Excel, Edius 12 и STATGRAPHICS Plus 2.1.
Научную новизну представляют:
- конструктивно-технологическая схема усовершенствованного цепочно-ложечного высаживающего аппарата, обеспечивающего снижение пропусков и повреждений клубней ложечками;
- расчетно-теоретическое обоснование конструктивных и технологических параметров цепочно-ложечного высаживающего аппарата с учетом закономерностей появления пропусков клубней ложечками и повреждений клубней.
Новизна технических решений подтверждена патентами РФ на полезные модели № 80937 Клубнемер, № 105793 Устройство контроля высаживающего аппарата картофелесажалки ложечно-элеваторного типа по пропускам клубней, № 113914 Высаживающее устройство картофелесажалки.
Практическая ценность и реализация результатов исследований. Посадочная машина, оснащенная усовершенствованным цепочно-ложечным высаживающим аппаратом, позволяет снизить процент пропусков клубней в борозде до 3% при уровне повреждений клубней картофеля в пределах агротехнических требований. Опытный образец цепочно-ложечного высаживающего аппарата был изготовлен в Нижегородской ГСХА и прошел производственную проверку в условиях СПК Возрождение Нижегородской области на базе картофелесажалки Л-202.
Апробация. Основные положения диссертационной работы были доложены и одобрены на международных научно-практических конференциях: ФГБОУ ВПО Нижегородская ГСХА, посвященной 75-летию д.т.н., профессора, заслуженного деятеля наук Лисунова Е.А. (2010 г.), ФГБОУ ВПО МГАУ им.В.П. Горячкина, г. Москва, посвященной 80-летию университета (2010 г.); на научно-практических конференциях НГСХА (2007-2011 гг.), МГАУ им. В.П. Горячкина (2011 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, указанных в ПеречнеЕВАК, получены 3 патента на полезную модель, без соавторства опубликована 1 статья. Общий объем публикаций 0,56 п.л., из них автору принадлежит 0,34 п.л.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, библиографического списка из 146 наименований и приложения. Диссертационная работа содержит 152 с., 58 рис., 27 табл. и приложение на 18 с.
Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:
- Аналитические зависимости для определения вероятности захвата клубня ложечкой высаживающего аппарата картофелесажалки и траектории движения клубней при выпадении их на верхней ведомой звездочке.
- Рациональные значения конструктивных и режимных параметров цепочно-ложечного высаживающего аппарата.
- Конструкции направляющей для клубней и подвижной стенки питательного ковша цепочно-ложечного высаживающего аппарата.
- Показатели, характеризующие качество посадки клубней картофеля картофелепосадочной машиной, оснащенной усовершенствованным цепочно-ложечным высаживающим аппаратом.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснованы актуальность темы, цель, объект, предмет исследований. Приведены научная новизна и практическая значимость, изложены научные положения, выносимые на защиту.
В первом разделе Состояние вопроса и задачи исследования представлен аналитический обзор картофелепосадочных машин с различными типами высаживающих аппаратов; приводится также обзор исследований по работе картофелепосадочных машин. Этими вопросами занимались Н.Ф. Большаков, А.И. Вольников, Е.А. Глухих, В.М. Годухин, С.К. Головицин, И.П. Гудзенко, М.И. Кан, С.Н. Карманов, Э.А. Келлер, Е.И. Кистанов, О.Н. Кухарев, Н.П. Ларюшин, С.С. Липецкий, Н.М. Постников, К.А. Пшеченков, К.А. Рагозин, Д.З. Селезнев, В.Ф. Синяков, А.Г. Телешев, З.С. Торбеев, М.Б. Угланов, А.Ф. Чиркунов, С.С. Шаврин и другие.
Большой вклад в развитие технологий возделывания картофеля внесли многие ученые. Среди них Б.В. Анисимов, Н.И. Верещагин, Е.А. Глухих, О.Н. Давыденкова, Н.Н. Колчин, А.Н. Орлов, К.А. Пшеченков, С.С. Туболев, А.Г. Лорх, Б.А. Писарев, Д.Н. Пряничников и другие.
Анализ литературных источников показал, что большинство исследований относятся к ложечно-дисковым высаживающим аппаратам. Однако в настоящее время на картофелепосадочных машинах широко применяются ложечно-элеваторные высаживающие аппараты (фирм Krammer, Grimme и др.) и цепочно-ложечные (фирм Лидсельмаш, Bomet и др.).
При этом недостаточно изучены рабочие процессы цепочно-ложечных высаживающих аппаратов. Исследования осуществлялись для скоростей посадки 5-7 км/ч, тогда как перспективной системой машин предусматривается создание картофелесажалок, обеспечивающих высадку 45-60 тыс. кл./га при скоростях до 10 км/ч.
На основе вышеизложенного и в соответствии с поставленной целью в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:
- Изучить физико-механические свойства посадочных клубней картофеля.
- Провести исследования процесса сброса клубней ложечками на ведомой звездочке высаживающего аппарата картофелесажалки, а также условий захвата клубней ложечками цепочно-ложечного высаживающего аппарата.
- Изготовить модернизированный цепочно-ложечный высаживающий аппарат картофелесажалки и провести лабораторные исследования по оценке влияния его основных конструктивных и режимных параметров на качество посадки картофеля.
- Провести полевые исследования картофелесажал ки, оснащенной цепочно-ложечным высаживающим аппаратом, по показателям качества посадки картофеля и определить экономическую эффективность его применения.
Во втором разделе Теоретические исследования рабочего процесса цепочно-ложечного высаживающего аппарата картофелесажалки представлено расчётно-аналитическое исследование процесса посадки клубней картофеля.
В числе прочих исходными данными для расчётно-аналитического исследования процесса посадки клубней картофеля служили физико-механические свойства клубней картофеля сорта Невский. Определение размерно-массовой характеристики посадочного материала и коэффициента формы клубня отражено в четвертом разделе диссертационной работы.
Картофелесажалка с цепочно-ложечным высаживающим аппаратом (рисунок 1) работает следующим образом. При заполнении клубнями картофеля бункера 1 , клубни поступают к тяговому элементу 2 цепочно-ложечного высаживающего аппарата картофелесажалки и при включении ведущей звездочки 5 , приводная роликовая длиннозвенная цепь, каждое четвертое звено которой снабжено ложечкой 3, движется вверх. Ложечки 3 захватывают клубни и транспортируют их сначала вверх, а затем, после ведомой звездочки 6 направляют клубни вниз и, когда зазор между торцами каждой очередной ложечки и низа направляющего кожуха 7 станет больше размера клубня, он скатывается с ложечки и падает через полость сошника (на схеме не показан) на дно борозды. ФЛишниеФ клубни подпружиненной планкой 4
сбрасываются обратно в питательный ковш. В предлагаемой схеме направляющая 8 способствует плавному перемещению клубня до кожуха 7, а подвижная стенка 9 увеличивает скорость поступления клубней в пространство между ложечек. Таким образом, осуществляется процесс работы высаживающего устройства картофелесажалки.
У картофелесажалок с цепочно-ложечным высаживающим аппаратом (типа Л-201, Л-202) диаметр ведомой звездочки меньше диаметра ведущей, вследствие чего возникает необходимость исследования поведения клубней при выпадении их из ложечек.
На клубень, находящийся в ложечке, при движении ее на ведомой звездочке действуют следующие силы (рисунок 2): сила инерции FИ, сила тяжести FG, сила нормального давления FN и сила трения FT.
Сила инерции, действующая на клубень, будет стремиться сбросить клубень с ложечки, а сила тяжести до поворота ложечки на 90 будет прижимать клубень к ложечке. Если суммарное действие этих сил приведет к скольжению клубня по ложечке, то добавится действие силы трения, которая также будет препятствовать движению клубня.
Дифференциальное уравнение движения клубня в момент начала скольжения будет иметь следующий вид: , (1)
где dx - перемещение, м; dt - время, с; - угловая скорость, с-1; R - радиус звездочки, м; r - приведенный радиус клубня (a, b, c - геометрические размеры клубня), м; - коэффициент трения; g Ц ускорение свободного падения м/с2; - угол поворота ложечки, град.
Т.к. перемещение клубня по оси x ограничено ребром ложечки, то клубень остается в ней, но при нахождении центра тяжести клубня выше ребра ложечки создается опрокидывающий момент, стремящийся УвытолкнутьФ клубень из ложечки (рисунок 3).
M=Fсумh зависит от размера и формы клубня и угловой скорости вращения ведомой звездочки.
Условие возникновения опрокидывающего момента.
(2)
а>0, т. е. ,
откуда . (3)
При повороте ложечки на угол >90 на клубень действуют сила инерции FИ и сила тяжести FG (рисунок 4).
Дифференциальное уравнение движения клубня в момент начала скольжения будет иметь следующий вид:
. (4)
Движение клубня по оси X возможно в том случае, если
, (5)
т.е. . (6)
Дифференциальное уравнение движения клубня по оси Y
. (7)
Движение клубня по оси Y возможно в том случае, если, (8)
т.е. при >0 клубень будет иметь ускорение по оси Y.
В идеальном варианте траектория клубня должна проходить по окружности радиусом R+r, но исходя из расчетов следует, что клубни при увеличении скорости движения транспортера (частоты посадки) будут отрываться от ложечек и ударяться о кожух высаживающего аппарата 7 (рисунок 1).
Одним из решающих факторов, определяющих пропуски клубней при работе высаживающего аппарата, является своевременное поступление их в пространство между ложечками, т. е. в зону уверенного захвата клубня. Ложечки захватывают клубни, находящиеся в пространстве между ними, и отбрасывают клубни, центр тяжести которых находится за пределами контура ложечки.
Часть клубней увлекается по направлению движения ложечек за счет трения об их выступающие части. При этом клубни начинают поворачиваться с некоторой угловой скоростью и одновременно опускаться вниз.
Таким образом, в питательном ковше образуется активный объем клубней. Движение клубней в активном объеме очень сложно и зависит от многих факторов, прежде всего от частоты посадки, конструкции питательного ковша, длины пути ложечки под слоем клубней и состояния посадочного материала.
Траектории движения каждого отдельного клубня в активном объеме очень разнообразны, и захват их ложечкой имеет вероятностный характер.
Ввиду сложности движения клубней в активном слое и поступления их в зону захвата ложечкой несколько упростим задачу. С этой целью рассмотрим условие попадания одиночного клубня в ложечку при неподвижном слое.
Подобное упрощенное решение общей задачи не может раскрыть всего комплекса процессов поведения клубней в зоне захвата, но позволяет приближенно раскрыть некоторые главные условия западания клубня в ложечку.
Клубни движутся вниз по наклонной стенке питательного ковша (рисунок 5) со скоростью U и одновременно со скоростью Ucos в пространство между ложечками, движущимися со скоростью V.
Рассмотрим самый неблагоприятный вариант: длина клубня (а) параллельна плоскости движения ложечек, а ширина (в) перпендикулярна (рисунок 6).
Клубень попадает в ложечку, если
L L-Bл-a, (9)
где Вл - глубина ложечки, м; L - расстояние между ложечками, м; а и в - размеры клубня, м.
Величина L должна быть такой, чтобы клубень успевал войти в пространство между ложечками на величину Sв/2, пока ложечка проходит это расстояние (L).
Дифференциальное уравнение движения клубня по наклонной плоскости:
, (10)
где - коэффициент трения клубня о клубни,
g=9,81Ц ускорение свободного падения, м/с2;
x - путь, м пройденный клубнем за время t, с.
Интегрируем:
.
При t=0 x=0, учитывая, что = U=0, получаем С1=0; С2=0.
Подставляем в формулу (11):
(12)
Полагая, что x=S, решаем относительно t:
(оставляем только положительное значение корня).
Время также определится по формуле
откуда
Упрощаем:
Заменим S= в/2, а =tg,
где - угол внутреннего трения клубней (39):
При t=0; x=0 и начальной скорости движения клубней U=U0 получаем С1=U0; С2=0.
Подставляем в формулу (11):
. (18)
Полагая, что x=S, решаем относительно t:
(оставляем только положительное значение корня),
откуда
Упрощаем:
Заменим S=в/2, а =tg:
При проходе клубней в пространство между ложечками равнозначны различные варианты расположения их относительно ложечек, следовательно, этот процесс характеризуется как совокупность благоприятных и неблагоприятных случаев. Благоприятные: контур клубня не пересекается с контуром ложечки, а после встречи с ложечкой он будет захвачен. Для этого центр тяжести клубня в момент контакта с ложечкой должен находиться в пределах ее контура. Остальные случаи неблагоприятные, клубень будет отброшен.
ожечки движутся с поступательной скоростью V, расположены с шагом L и имеют форму квадрата толщиной h(h=Bл). Под углом к прямой с ложечками движется клубень в форме шара радиусом r со скоростью U (рисунок 7).
Уравнение решаем с помощью задачи Бюффона и ее следствия.
Неблагоприятная вероятность:
, (23)
где S - периметр многоугольника, м:
S=2rКФ,
где r - приведенный радиус клубня, м, КФ=1,265 - коэффициент формы клубня.
, тогда . (24)
Вероятность попадания клубня в пространство между ложечками
. (25)
Время прохождения ложечкой слоя клубней толщиной l со скоростью V
.
Время поступления клубня в пространство между ложечками
где Sk - путь клубня, м; U - скорость клубня, м/с.
Для уверенного захвата клубня ложечкой клубень должен пройти расстояние 0,5r < Sk r. Принимаем наиболее сложный вариант, т. е. Sk = rКФ.
Количество клубней, которое встретит ложечка в слое клубней,
.
Вероятность поступления клубня в пространство между ложечками при k встречах
. (26)
Из выражения (13) видно:
1) вероятность захвата клубня ложечкой возрастает при увеличении длины пути ложечки l под слоем клубней и скорости поступления клубней к ложечкам U;
2) вероятность захвата клубня ложечкой уменьшается при увеличении размеров (массы) клубней и скорости движения ложечек V.
Вероятность поступления клубня в пространство между ложечками при скорости U=0,5-1м/с и слое клубней в питательном ковше 15-25 см при пропусках не более 3% для клубня массой 80 г составляет 0,97-0,999, это соответствует частоте посадки 3,5-7 кл./с (рисунок 8).
Форсировать работу высаживающего аппарата можно двумя путями:
1) увеличением скорости поступления клубней в пространство между ложечками;
2) увеличением длины пути ложечки под слоем клубней.
Увеличение скорости поступления клубней в пространство между ложечками возможно за счет установки в питательном ковше подвижной стенки.
Частота колебаний стенки определена из условия нахождения в слое клубней двух ложечек. При этом передаточное отношение от вала высаживающего аппарата к валу кривошипа для фракции 50-80 г составляет 0,48-0,56 и определяется по условию
i=zl/(4tr), (27)
где z- число зубьев на ведущей звездочке; 4t - шаг ложечек (в шагах цепи), t - шаг цепи.
Амплитуда колебаний стенки 3 выбиралась из условия прохождения клубнем расстояния, равного приведенному радиусу r. Для клубней фракции 50-80 г амплитуда равна 0,023-0,027 м.
Рисунок 8 - Вероятность поступления клубня в пространство между ложечками при уровне клубней 15-25см и скорости U=0,5-1м/с; ____ скорость поступления клубней 1 м/с; - - - скорость поступления клубней 0,5 м/с; 1 - масса клубня 50 г; 2 - масса клубня 80 г
На основе теоретических исследований технологического процесса работы цепочно-ложечного высаживающего аппарата и изучения физико-механических свойств клубней картофеля можно выделить следующее:
- Вероятность захвата клубня ложечкой зависит от ряда факторов: размеров и формы клубней, величины слоя клубней в питательном ковше, скорости поступления клубней в пространство между ложечками и скорости движения ложечек.
- Частота посадки цепочно-ложечного высаживающего аппарата при слое клубней 15-25 см и пропусках в пределах агротехнических требований для фракции 50-80 г не должна превышать 4,9 кл./с, что соответствует при густоте посадки 50 тыс. кл./га скорости движения агрегата 5,04 км/ч.
- Цепочно-ложечный высаживающий аппарат с подвижной стенкой при тех же условиях может работать с частотой посадки 8,3 кл./с и скоростью движения 8,5 км/ч.
- При частоте посадки до 4,3 кл./с траектория движения клубней при выпадении их из ложечек осуществляется по окружности.
- При увеличении частоты посадки более 4,3 кл./с траектория движения клубней при выпадении их из ложечек осуществляется по кривой с постепенно увеличивающимся радиусом, вследствие чего возможен удар клубня о кожух, потеря им скорости и заклинивание между кожухом и догоняющей ложечкой.
В третьем разделе Программа и методика исследований цепочно-ложечного высаживающего аппарата картофелесажалки описаны программа и методика экспериментальных исследований в лабораторных и хозяйственных условиях.
Для решения задач, поставленных в данной работе, программа экспериментальных исследований включала:
- проведение исследований физико-механических свойств клубней картофеля перед посадкой;
- проведение лабораторных исследований цепочно-ложечного высаживающего аппарата;
- проведение полевых исследований модернизированного цепочно-ложечного высаживающего аппарата.
Исходными данными для определения основных конструкционных параметров высаживающих аппаратов являются физико-механические свойства высаживаемого материала. На их основе определяются его конструктивные и режимные параметры.
При изучении физико-механических свойств клубней картофеля руководствовались методикой, разработанной ВИСХОМ для изучения физико-механических свойств растений и почв, а также частной методикой, разработанной согласно ГОСТ. У каждого клубня с точностью до 0,1 г определялась и с точностью до 1 мм измерялась длина - а, ширина - в и толщина- с. Картофель сортировался на барабанной сортировке, объем выборки составлял 300 клубней (фракция 50-80 г). Результаты измерений фиксировались и заносились в ведомость размерно-массовой характеристики клубней картофеля. Математическая обработка данных проводилась методом математической статистики.
Одним из основных показателей качества работы высаживающего аппарата является количество пропусков и повреждений клубней.
С целью проверки теоретических исследований работы цепочно-ложечного высаживающего аппарата была спроектирована и изготовлена установка (рисунок 9).
абораторная установка состоит из высаживающего аппарата 1, бункера 2 и механизмов привода, смонтированных на раме 6. Рама представляет собой сварную конструкцию из уголков. Бункер сварной конструкции из листовой стали, днищем которого является ленточный транспортер 7. Транспортер 7 обеспечивает подачу клубней в питательный ковш 5, обеспечивая постоянный уровень клубней. Для сбора клубней под каждую ветвь высаживающего аппарата подставлялись емкости для клубней 4. Для предотвращения попадания клубней в емкости из соседних ветвей в нижней части была установлена перегородка. После ряда опытов на стенке питательного ковша 5 установлена подвижная стенка 3, увеличивающая скорость поступления клубней в пространство между ложечками.
Контроль количества пропусков и прошедших ложечек осуществляется с помощью разработанного устройства контроля высаживающего аппарата картофелесажалки по пропускам клубней (рисунок 10). Работа устройства осуществлялась следующим образом.
Если в ложечке отсутствовал клубень, то в момент включения датчика 2, замкнут контакт 1. Импульс тока поступает на счетчик ложечек и через замкнутый контакт на счетчик пропусков.
При нахождении клубня в ложечке в момент включения датчика 2 датчик 1 разомкнут, и импульс тока поступает только на счетчик ложечек. При этом необходима синхронизация работы датчика 2 и положения рычага 7.
Пружина 10 подбиралась экспериментально и обеспечивала своевременный возврат рычага 7 в исходное положение на подход следующей ложечки.
Конденсатор 6 емкостью 10 мф предотвращает искрообразование при работе датчика 2. Конденсатор 5 емкостью 50 мф, включенный параллельно обмотке счетчика пропусков, увеличивает длительность импульса и обеспечивает четкое включение счетчика пропусков.
Исследования базового высаживающего аппарата, выпадения клубней на ведомой звездочке, влияния установки направляющей в кожухе высаживающего аппарата на количество повреждений клубней, влияния уровня клубней в питательном ковше на количество пропусков клубней ложечками, влияния подвижной стенки в питательном ковше на качество посадки клубней картофеля проводились с использованием теории однофакторного эксперимента. Определение оптимальных значений частоты высадки в зависимости от амплитуды и частоты колебаний подвижной проводили методом планирования многофакторного эксперимента, в качестве критерия оптимизации принято количество пропусков
клубней ложечками в процентах.
Полевые исследования направлены на установление достоверности полученных аналитических зависимостей, определение количественных показателей работы картофелесажалки, оснащенной модернизированным цепочно-ложечным высаживающим аппаратом в полевых условиях. Данные исследования проводились в соответствии с ГОСТ 28306-89 Машины для посадки картофеля. Методы испытаний.
При проведении исследований по определению оптимального значения частоты посадки модернизированного высаживающего аппарата все параметры и режимы работы, за исключением , оставались постоянными, равными оптимальным значениям, полученным в результате проведения лабораторных исследований.
Показателями качества посадки являются равномерность распределения клубней (R, %) в борозде, доля пропусков (М, %), доля двойников (D, %), погрешность посадки (К %) и коэффициент сохранения расстояния между клубнями в ряду (r).
Траектории движения клубней фиксировались видеокамерой Sony HDR-CX110E, количество пропусков и прошедших ложечек осуществлялось устройством контроля высаживающего аппарата картофелесажалки по пропускам клубней, время опыта секундомером - ГОСТ 5072-79, амплитуда колебаний подвижной стенки измерялась штангенциркулем ШЦ-2, расстояние между клубнями рулеткой ТУ 17-25-7622-79, время движения агрегата на учетной делянке - секундомером.
В четвертом разделе Результаты экспериментальных исследований цепочно-ложечного высаживающего аппарата картофелесажалки приведены и проанализированы результаты физико-механических свойств клубней картофеля, лабораторных и полевых исследований.
Для клубней картофеля сорта Невский, получены зависимости массы (m) клубня от его линейных размеров: длины (а), ширины (b) и толщины (с) и определен коэффициент формы:
m=0,588abc=0,368a3=0,592b3=0,935c3; КФ=1,265 (округло-овальная форма).
Исследования выпадения клубней из ложечек на ведомой звездочке у базового аппарата показали, что с увеличением частоты посадки свыше 5 кл/с траектория движения отклоняется от окружности и направлена по кривой к кожуху аппарата на обеих фракциях - 50-80 и 80-100 г. Клубни отрываются от ложечек (рисунок 11), ударяются о кожух высаживающего аппарата и, теряя скорость, подвергаются удару догоняющей их ложечки, вследствие чего происходит заклинивание их между ложечкой и кожухом. Это ведет к раздавливанию или срезанию клубня, а также к поломке ложечек. В соответствии с этим опыты на фракции 80-100 г при частоте посадки более 6,8 кл./с не проводились из-за большого количества тяжелых повреждений клубней (свыше 30%).
Установка направляющей над ведомой звездочкой (рисунок 12) резко уменьшает количество тяжелых повреждений клубней и позволяет увеличить скоростной режим работы цепочно-ложечного высаживающего аппарата сажалки Л-202 до 9 кл./с при соблюдении агротехнических требований по количеству повреждений клубней. При этом на всех режимах работы не наблюдалось поломка ложечек.
Уровень клубней в питательном ковше (увеличение пути ложечек под слоем клубней) практически не оказывает влияния на пропуски клубней ложечками (рисунок 13), но при увеличении слоя клубней (25-35 см) увеличивается количество повреждений клубней. Оптимальная величина слоя клубней 15-25 см совпадает с рекомендациями завода изготовителя.
Точка крепления оси подвижной стенки в верхней части питательного ковша из-за малого расстояния между стенкой и ложечками ведет к резкому увеличению повреждений клубней, поэтому при исследованиях ось поворота стенки устанавливалась в нижней части питательного ковша.
После обработки результатов многофакторного эксперимента получено уравнение регрессии второго порядка, описывающее зависимость количества пропусков клубней ложечками от выбранных факторов П=f(, A,I,), в закодированном виде:
Y = 2,667 + 1,264X1 + 0,149X2 - 0,03X3 + 0,105X1X2 -
- 0,833X2X3 - 0,038X1X3 + 0,779X12 + 0,594X22 + 0,342X32 . (18)
Раскодированное уравнение регрессии (19) примет вид:
Y = 13,764 - 0,3255А - 3,496 + 2,551i + 0,0164 A - 0,095 i - 0,833 Ai + 0,30432 + 0,0371 A2 + 5,472 i2. (19)
Изучение поверхности отклика проводили с помощью двухмерных сечений (рисунок 14).
Графоаналитический анализ математической модели по двухмерным сечениям позволил определить оптимальные диапазоны значений исследуемых факторов, влияющих на критерий оптимизации вблизи оптимума: частота посадки 5,2 - 6,75 кл./мин; амплитуда колебаний подвижной стенки 5,8 - 9,4 мм; передаточное
отношение к подвижной стенке 0,25 - 0,61.
Полученное уравнение регрессии имеет следующие координаты точки максимума:
Х1 = - 0,79707; Х2 = -0,7836; Х3 = -0,4612.
Натуральные значениях факторов таковы: частота высадки = 5,53 кл./с; амплитуда колебаний встряхивающей створки А = 7,5 мм; частота колебаний встряхивающей створки (передаточное отношение) i=0,385; количество пропусков при данных значениях параметров составляет 2,14 %.
Поврежденными согласно ГОСТ 28306-89 считались клубни с легкими повреждениями (глубиной до 1,7 мм), средними повреждениями (от 1,7 до 5 мм), сильными повреждениями (более 5 мм). Сумма всех видов повреждений клубней при лабораторных опытах не превышала 3%.
Для подтверждения результатов проведенных нами лабораторных исследований по определению количества пропусков и повреждений клубней модернизированный высаживающий аппарат прошел полевые исследования в полевых. Испытания картофелесажалки проводились в начале июня 2011 года на поле ОАО Возрождение Борского района Нижегородской области в соответствии с ГОСТ 28306-89 Машины для посадки картофеля. Методы испытаний и Международным стандартом ИСО 5691 Оборудование для сева. Картофелесажалки. Методы испытаний. Картофелесажалка агрегатировалась с трактором Беларусь МТЗ-82 на IV передаче. Опыты проводились на учетных делянках длиной 100 м и шириной 0,7 м, равномерно расположенных по диагонали поля. Количество делянок равно 3. Микрорельеф поля ровный, уклон до 3, длинна гона 850 м, контур поля близкий к правильной прямоугольной форме. Результаты полевых исследований отражены в таблице 2.
Установлено, что распределение клубней в борозде при посадке цепочно-ложечным высаживающим аппаратом, в отличие от ложечно-дискового, описывается законом распределения Вейбулла.
Таблица 2 - Сводные показатели результатов полевых исследований
Показатель | Установочное расстояние между клубнями в рядке, см | ||
24,5 | 27,5 | 29,5 | |
Средний фактический шаг посадки, см | 25,88 | 28,15 | 30,03 |
Среднеквадратичное отклонение, см | 7,05 | 7,09 | 7,14 |
Коэффициент вариации, % | 27,23 | 25,18 | 23,74 |
Коэффициент сохранения расстояния между клубнями в ряду | 0,947 | 0,977 | 0,982 |
Относительная ошибка, см | 4,3 | 4,1 | 10,1 |
Коэффициент равномерности, % | 59,7 | 61,4 | 62,1 |
Количество пропусков, % | 6,8 | 3,87 | 2,53 |
Количество двойников, % | 2,4 | 2,5 | 2,9 |
Погрешность посадки, % | 9,2 | 6,37 | 5,43 |
В пятом разделе Экономическая оценка модернизированной навесной картофелесажалки Л-202В приведены расчеты показателей экономической эффективности модернизированной картофелесажалки Л-202В.
Расчеты показывают, что при некотором росте эксплуатационных издержек при посадке картофеля на 7,4 руб./га экономия от получения дополнительной продукции составила 1448 руб./га. Годовой экономический эффект на одну картофелесажалку при годовой загрузке в 60 ч составил 71,65 тыс. руб., что связано с лучшей равномерностью раскладки, уменьшением повреждений и пропусков клубней, повышением урожайности на 0,21 т/га.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
- В результате исследования физико-механических свойств клубней картофеля сорта Невский получены данные, необходимые для обоснования конструктивных и режимных параметров цепочно-ложечного высаживающего аппарата картофелесажалки: зависимости массы m клубня от размеров а, в, с для сорта Невский: m=0,588abc=0,368a3=0,592b3=0,935c3; длина клубня а=54,75 мм (V=4,88%), ширина клубня b=46,7 мм (V=4,35%), толщина клубня с=40,11 мм (V=4,85%). Клубни имеют округло-овальную форму с коэффициентом формы 1,265.
- Вероятность захвата клубня ложечкой зависит от размеров и формы клубней, величины слоя клубней в питательном ковше, скорости поступления клубней в пространство между ложечами и скорости движения ложечек. Частота посадки цепочно-ложечного высаживающего аппарата картофелесажалки при слое клубней 15-25 см и пропусках в пределах агротехнических требований для фракции 50-80 г не должна превышать 4,9 кл/с. Подвижная стенка питательного ковша увеличивает скорость поступления клубней в пространство между ложечками, что позволяет увеличить частоту посадки цепочно-ложечного высаживающего аппарата при слое клубней 15-25 см и пропусках в пределах агротехнических требований до 8,3 кл./с.
- Минимальное количество пропусков клубней ложечками высаживающего аппарата (2,1%) получено при частоте высадки 5,5 кл./с, амплитуде колебаний подвижной стенки 7,5 мм и передаточном отношении к валу подвижной стенки 0,385. Установка над ведомой звездочкой направляющей для клубней позволяет резко снизить повреждения клубней, исключить поломку ложечек и увеличить частоту посадки до 9 кл./с при повреждениях не превышающих 3%.
- Полевые исследования картофелесажалки подтвердили целесообразность применения модернизированного высаживающего аппарата. Равномерность распределения клубней составила 59,7-62,1 % при скорости движения агрегата 1,690,07 м/с и частоте посадки 5,7-6,9 кл./с. Количество пропусков составило 2,53-6,8 %. В результате применения модернизированной картофелесажалки Л-202В урожайность картофеля увеличилась на 0,21 т/га. Годовой экономический эффект при использовании модернизированного высаживающего аппарата с учетом дополнительной продукции составил 71650 руб.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
Издания, рекомендованные ВАК
- Вольников, А.И. Исследование работы картофелесажалки Л-202 / А.И. Вольников, А.В. Никулин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2011. - №9. - С. 5-7.
- Вольников, А.И. Исследование работы ложечно-цепного высаживающего аппарата / А.И. Вольников, А.В. Никулин // Техника в сельском хозяйстве. - 2011. - №5. - С. 9-10.
- Никулин, А.В. Усовершенствование картофелесажалки / А.В. Никулин // Сельский механизатор. - 2012. - №2. - С. 6-7.
Патенты РФ на полезные модели и публикации в материалах конференции
- Пат. 80937 РФ. Клубнемер / Д.Е. Кистанов, Е.И. Кистанов, А.В. Козлов, А.И. Вольников, М.В. Ошурков, А.В. Никулин. - №2008140714; заяв. 14.10.2008; опубл. 27.02.2009, Бюл. №6.
- Пат. 10579 РФ. Устройство контроля высаживающего аппарата картофелесажалки ложечно-элеваторного типа по пропускам клубней / А.И. Вольников, А.В. Никулин, Е.И. Кистанов, А.В. Козлов. - №2010144922/21; заяв. 02.11.2010; опубл. 27.06.2011, Бюл. №18.
- Пат. 113914 РФ. Высаживающее устройство картофелесажалки / А.В. Никулин, Е.И. Кистанов, А.И. Вольников, А.В. Козлов, А.И. Новожилов. Ц№2011141439/13; заяв. 12.10.2011; опубл. 10.03.12, Бюл. №7.
7.Вольников, А.И. Некоторые теоретические вопросы работы ложечно-цепного высаживающего аппарата картофелесажалки Л-202 / А.И Вольников, А.В. Никулин // Ресурсосберегающие технологии и технические средства в агропромышленном комплексе: Материалы международной научно-практической конференции. - Н. Новгород: НГСХА, 2010. - С. 333-339.
Подписано в печать 25.04.2012 г. Формат 60х84 /16.
Объём 1п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 83.
Отпечатано с готового оригинал-макета
в Пензенской мини-типографии
Свидетельство № 5551
440600, г. Пенза, ул. Московская, 74
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям